高速磁悬浮列车摇枕加工用成型铣刀的设计

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摘 要：高速磁悬浮列车摇枕有一处成型面的加工，因其加工部位深度大且型面复杂，采用传统铣削方法难以保证其型面尺寸精度和效率。如何克服该问题，一直是所要攻关的技术难题。根据成型车刀的切削原理，探讨一种结构简单、易于制造、精度高、可加工深腔内部成型面的成型铣削刀具，可应用于高速磁悬浮列车摇枕深腔内部成型面的加工。

关键词：磁悬浮 摇枕 大悬深 单齿 成型铣刀

中图分类号：TG714 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）011-112-02

磁悬浮列车摇枕的孔外缘部位，如图1所示。

其截面形状复杂且深度大，传统方法依靠对刀样板手工磨制成型刀片切削刃，难以保证切削刃的尺寸精度，而三维加工又效率低下。为了实现高效率、高精度的型面加工，我们设计了一种大悬深单齿成型铣刀，根据成型车刀的切削原理，将车削过程中的主、被动运动互换，应用于数控铣床，其经过数学计算后的刃型能够在满足加工精度的同时，实现沿任意二维曲线上的成型面的加工。

1 成型铣刀结构设计

本铣刀采用单齿铣削设计，切削稳定、结构简单，整体结构如图2所示。刀片结构如图3所示，该设计允许大于零度的前角，切削轻快，切削力小，保证大悬深切削过程中刀杆变形小、加工精度高。刀片设计含有主切削刃后角和端部切削刃后角。刀片设计含有锁紧螺钉避让结构，可加工盲腔底部平面，避免因腔体底部不平从而铣刀端部无法切削而导致挤压工件表面或碰触锁紧螺钉所引发的事故。刀片与刀杆设计含有定位结构，避免切削过程中切削力导致的刀片微小窜动而影响被加工型面的尺寸与形状精度。为方便加工制造，刀杆采用削平柄连接刀柄。

2 刀杆与成型刀块的选择

考虑到加工部位为深腔，需要采用大悬深的刀杆设计，为了避免加长刀杆后所带来的切削系统震动，应当同时增加刀杆直径。但由于铣削空间的限制，最终我们将刀杆的径长比选定在5：1左右。材质选用40Cr并经过调质热处理工艺来提高刀杆刚性，经过外圆磨削工艺来提高动平衡度。

考虑到被加工工件材质为铸铝，成型刀块可以选择高速钢车刀块经线切割工艺制造。与硬质合金刀块相比较，即可降低刀块成本，又获得了较高的材料韧性，更适合于承受单齿切削时对刀片所造成的断续冲击力。

3 切削角度与最大切削回转半径的选择

前角根据前角选择的一般规律即根据工件材料来选。经查刀具设计手册参照成型车刀的前角选择，查表为20。

后角主要根据切削厚度来选，由于成型刀块的切削厚度较薄，合理的后角应当选得大些，但同时也要考虑刀具的结构和强度。经查刀具设计手册参照成型车刀的后角选择，在保证切削刃强度的同时，后角选择在30左右时Ｐ削状滔稳定６杆震断？

考虑到切削系统的整体稳定性，最大切削回转半径应尽可能的小，以降低刀杆所承受的弯曲应力和提高刀具旋转时的动平衡度，但同时也要考虑刀具结构。当加工部位的截面已知时，最大切削回转半径与最小切削回转半径的差值即为已知，而最小切削回转半径应大于刀杆半径。实际应用中，我们使最小切削回转半径大于刀杆半径10mm，用来构造一个圆弧过渡增加刀块强度，来获得足够的锁紧螺钉避让距离，见图3，从而使刀具能够接触到工件底面，进行类似于盲孔镗削的铣削加工。

4 带正前角的切削刃形曲线方程的计算

因成型刀块被设计为正前角（ >0），刀具前刀面不通过工件轴线，故实际上，在前刀面所在平面上，切削刃的曲线形状，并不是工件的截面曲线形状，需要进行数学计算。

针对切削刃在线切割机床上加工的曲线计算方法进行说明，设计原理图如图4所示，详细步骤如下：

定义： -刀具前角； -刀具后角；R2-切削刃绕主轴旋转所成的最大回转半径；1-切削刃；2-前刀面。

步骤一：求取制件截面绕Z轴旋转所成的回转曲面。

已知制件截面在xoz平面上曲线为f（x）=z；

其绕Z轴旋转在xyz空间坐标系中所成空间曲面方程为：

步骤二：求取前刀面与回转曲面相交所成的空间曲线。

在空间坐标系xyz中前刀面所在平面的平面方程为：

故空间曲线方程为：

步骤三：坐标系平移。

将原坐标系xyz沿-x方向移动至O'点，曲线方程式为：

步骤四：坐标系旋转。

将平移后的坐标系顺时针旋转角度 （后角），建立新的坐标系x'y'z'。

则在x'y'z'中的曲线方程式为：

步骤五：将x'y'z'中的空间曲线向x'o'z'平面投影。

将步骤四中的曲线方程中的变量y消去即得在x'o'z'平面上的投影曲线：

5 刀片厚度的选用与干涉检验：

刀片厚度主要与工件材料、切削深度和进给量有关。当切削力大时，为了保证刀片的强度，厚度应选得大些。但过厚的刀片会导致加工干涉，造成废品，因此需要对刀片厚度进行干涉检验。

由图4可以看出，当后角 选定后，增加刀片厚度S，刀片将与回转圆相交于点P，因此，点P即为刀具与工件的干涉临界点。计算临界厚度S’时，回转圆的半径R’应等于最小切削回转半径，大于此临界厚度即为发生干涉。计算公式为：

此结论在此不做详细证明。

6 刀片刃形的制造工艺

采用线切割加工刀块刃型，首先在刀块上加工出前角 ，然后将前刀面向上摆放，并与水平面倾斜角度 ，按照计算出的切削刃曲线方程，经过一次线切割即可加工出刃形与后角 。

7 结束语

该单齿成型铣刀现已成功应用于高速磁悬浮列车摇枕的成型面加工。并以其结构简单、易于制造、成本低廉、精度高的突出优点，提高了我公司产品加工的经济效益。

参考文献：

[1] 铁道部长春客车工厂.铁道客车设计手册[M].吉林：铁道部长春客车工厂，1989.

[2] 李儒荀.刀具设计原理与计算[M].江苏：江苏科学技术出版社，1985.

[3] 范忠仁，陈世忠.刀具工程师手册[M].黑龙江：黑龙江科学技术出版社，1985.

[4] 同济大学应用数学系.高等数学（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] 华南工学院，甘肃工业大学.金属切削原理及刀具设计[M].上海：上海科学技术出版社，1979.